火箭增压输送系统换热参数辨识方法和装置

技术领域

本发明涉及运载火箭技术领域，具体地，涉及一种火箭增压输送系统换热参数辨识方法和装置。

背景技术

火箭上面级和航天器具有推力小、过载变化小、发动机入口压力范围较窄等特点，常采用闭式增压系统用于贮箱增压。

闭式增压输送系统结构较为复杂，增压气体、推进剂在系统中常伴有传热、传质现象。且在复杂任务剖面下，这些因素会对增压性能造成较大影响，在正向设计的过程中是不可忽略的。例如，现役某型号运载火箭，其增压气瓶压力在二次启动时刻时的压力相比一次飞行结束时刻的压力回升10％以上，吹除气瓶压力回升30％以上，其原因为滑行期间常温箭体结构对低温气瓶壁面的热返浸。如今空间飞行器任务剖面复杂，单次工作时间较长，在设计过程中若不考虑传热、传质现象，可能会造成过度冗余设计或安全性隐患。通过分析这些传热传质过程对增压关键参数的影响，并结合成熟型号的飞行试验数据对其进行辨识，可以对新研型号的方案论证起到较好的指导作用，有助于降低潜在的超重风险和过度冗余设计。

目前，新研型号的增压输送系统仿真常依据绝热假设，这样计算出的增压流量、气瓶用气量、气枕容积等往往较飞行试验结果明显偏大，造成组件重量偏重，降低有效设计载荷，增加了迭代论证的成本。然而，增压输送系统结果复杂，换热项数量众多，在现役型号上并没有很好的测量手段，国内外鲜有对增压输送系统的换热特性的研究。此外，基于增压输送系统热参数辨识任务具有离线和强非线性的特点，难以采用传统的梯度下降方法进行求解。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种火箭增压输送系统换热参数辨识方法和装置。

第一方面，本申请实施例提供一种火箭增压输送系统换热参数辨识方法，包括：

步骤1：建立考虑换热、传质的闭式增压输送系统的非线性数学模型；

步骤2：通过基于正交试验的极差法，确定关键增压性能对所有位置换热参数的灵敏性，并从所述非线性数学模型中筛选出目标待辨识特征；

步骤3：确定目标函数，并采用混沌自适应粒子群算法对所述目标函数得到的辨识结果优化，得到优化后的辨识结果；

步骤4：对优化后的辨识结果进行验证、校核以及成效分析，确定换热参数。

可选地，所述步骤1包括：

步骤1.1：确定含换热项的变容积或者固定容积气腔的温度特性，所述温度特性的计算公式如下：

p

其中，p

步骤1.2：确定气体节流圈的流量特性，所述流量特性的计算公式如下：

其中，C

步骤1.3：确定换热模型的通用表达式如下：

对自然对流，有如下公式：

对强迫对流，有如下公式：

其中，h换热系数；A为换热面积；ΔT为温度差；k

对气瓶壁的换热，换热模型的通用表达式变更如下：

其中K

步骤1.4：确定正向卸荷式减压阀的动态特性表达式如下：

其中，阻尼项的计算公式如下：

其中，M为阀芯质量，c、k分别为阻尼和弹簧刚度；x为阀芯行程，α为阀瓣锥角，A

可选地，所述步骤2包括：

步骤2.1：构建7因素3水平正交试验表，其中额定热流按参考值选取，三水平分别为参考值的80％、100％和120％，并按正交试验表调用系统仿真模型，获得18组三指标仿真结果；

步骤2.2：采用极差分析法确定各项灵敏度指标，其中，极差的定义如下：假设第j因素第i个水平所对应的指标的平均值记为

步骤2.3：选取极差最大的三个因素所代表的换热项，对任意被选中的换热项，如果其类型为导热，则选取导热系数作为待辨识量；若为对流换热，则选取公式(5)、(6)中的C和n作为待辨识量。

可选地，所述步骤3中的目标函数为含权重衰减机制的均方根误差J，计算公式如下：

其中，

可选地，所述步骤4包括：

步骤4.1：根据极差法筛选出的三个换热项，确定粒子的维度D和搜索范围，并确定粒子群算法的基本参数，所述基本参数包括：粒子数N、社会认知系数c

步骤4.2：每次迭代中，将粒子位置代入公式(13)，计算每个粒子的适应度自身的历史最优位置x

v

x

其中，v

以粒子群适应度的分散程度作为依据，对惯性权重进行衰减，每个粒子惯性权重ω

其中，f

步骤4.3：采用改进的适应度方差作为早熟判别依据，计算公式如下：

其中，F为适应度方差，C为调节系数，用来抑制发生早熟时少量粒子偏离局部最优较远对方差造成的影响，C的计算公式如下：

将各个粒子的扰动量z＝[z

z

其中，z

当达到最大迭代次数时，输出全局最优位置及对应的适应度值，并代入仿真模型进行验证。

第二方面，本申请实施例提供一种火箭增压输送系统换热参数辨识装置，包括：

模型建立模块，用于建立考虑换热、传质的闭式增压输送系统的非线性数学模型；

目标待辨识特征筛选模块，用于通过基于正交试验的极差法，确定关键增压性能对所有位置换热参数的灵敏性，并从所述非线性数学模型中筛选出目标待辨识特征；

辨识结果优化模块，用于确定目标函数，并采用混沌自适应粒子群算法对所述目标函数得到的辨识结果优化，得到优化后的辨识结果；

验证模块，用于对优化后的辨识结果进行验证、校核以及成效分析，确定换热参数。

第三方面，本申请实施例提供一种火箭增压输送系统换热参数辨识设备，包括：处理器和存储器，所述存储器中存储有可执行的程序指令，所述处理器调用所述存储器中的程序指令时，所述处理器用于：

执行如第一方面中任一项所述的火箭增压输送系统换热参数辨识方法的步骤。

第四方面，本申请实施例提供一种计算机可读存储介质，用于存储程序，所述程序被执行时实现如第一方面中任一项所述的火箭增压输送系统换热参数辨识方法的步骤。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本申请提供的一种火箭增压输送系统换热参数辨识方法和装置，可从众多的换热项中识别出对增压性能影响较大的换热项，并对这些换热项的导热系数和对流换热关联式进行辨识。可以明显降低了增压用气量的设计值，减少了试验和设计迭代的成本，具备很好的应用前景和工程推广价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本申请实施例提供的一种火箭增压输送系统换热参数辨识方法的流程示意图；

图2为本申请实施例中闭式双路冗余增压输送系统热力学参数传递原理图；

图3为本申请实施例中气瓶末压信号器首次动作时间对7种换热系数的极差分析结果示意图；

图4为本申请实施例中燃箱压力信号器首次动作时间对7种换热系数的极差分析结果示意图；

图5为本申请实施例中氧箱压力信号器首次动作时间对7种换热系数的极差分析结果示意图；

图6为本申请实施例中改进粒子群算法辨识增压输送系统换热参数的流程图；

图7为本申请实施例中气瓶压力的辨识后仿真结果与实测数据对比图；

图8为本申请实施例中燃、氧箱箱压的辨识后仿真结果与实测数据对比图；

图9为本申请实施例中辨识结果应用于相似新研型号后，仿真值的变化情况对比图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例，例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面以具体地实施例对本发明的技术方案以及本申请的技术方案如何解决上述技术问题进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例中不再赘述。

图1为本申请实施例提供的一种火箭增压输送系统换热参数辨识方法的流程示意图，如图1所示，本实施例中的方法可以包括：

步骤S101：建立考虑换热、传质的闭式增压输送系统的非线性数学模型。

本实施例中，步骤S101可以包括：

步骤S1011：确定含换热项的变容积或者固定容积气腔的温度特性，所述温度特性的计算公式如下：

p

其中，p

步骤S1012：确定气体节流圈的流量特性，所述流量特性的计算公式如下：

其中，C

步骤S1013：确定换热模型的通用表达式如下：

对自然对流，有如下公式：

/>

对强迫对流，有如下公式：

其中，h换热系数；A为换热面积；ΔT为温度差；k

对气瓶壁的换热，换热模型的通用表达式变更如下：

其中K

步骤S1014：确定正向卸荷式减压阀的动态特性表达式如下：

其中，阻尼项的计算公式如下：

其中，M为阀芯质量，c、k分别为阻尼和弹簧刚度；x为阀芯行程，α为阀瓣锥角，A

步骤S102：通过基于正交试验的极差法，确定关键增压性能对所有位置换热参数的灵敏性，并从非线性数学模型中筛选出目标待辨识特征。

本实施例中步骤S102包括：

步骤S1021：构建7因素3水平正交试验表，其中额定热流按参考值选取，三水平分别为参考值的80％、100％和120％，并按正交试验表调用系统仿真模型，获得18组三指标仿真结果；

步骤S1022：采用极差分析法确定各项灵敏度指标，其中，极差的定义如下：假设第j因素第i个水平所对应的指标的平均值记为

步骤S1023：选取极差最大的三个因素所代表的换热项，对任意被选中的换热项，如果其类型为导热，则选取导热系数作为待辨识量；若为对流换热，则选取公式(5)、(6)中的C和n作为待辨识量。

步骤S103：确定目标函数，并采用混沌自适应粒子群算法对目标函数得到的辨识结果优化，得到优化后的辨识结果。

本实施例中，目标函数为含权重衰减机制的均方根误差J，计算公式如下：

其中，

步骤S104：对优化后的辨识结果进行验证、校核以及成效分析，确定换热参数。

本实施例中的步骤S104可以包括：

步骤S1041：根据极差法筛选出的三个换热项，确定粒子的维度D和搜索范围，并确定粒子群算法的基本参数，所述基本参数包括：粒子数N、社会认知系数c

步骤S1042：每次迭代中，将粒子位置代入公式(13)，计算每个粒子的适应度自身的历史最优位置x

v

x

其中，v

以粒子群适应度的分散程度作为依据，对惯性权重进行衰减，每个粒子惯性权重ω

其中，f

步骤S1043：采用改进的适应度方差作为早熟判别依据，计算公式如下：

其中，F为适应度方差，C为调节系数，用来抑制发生早熟时少量粒子偏离局部最优较远对方差造成的影响，C的计算公式如下：

将各个粒子的扰动量z＝[z

z

其中，z

当达到最大迭代次数时，输出全局最优位置及对应的适应度值，并代入仿真模型进行验证。

图2为本申请实施例中闭式双路冗余增压输送系统热力学参数传递原理图，如图2所示，根据关键增压性能的灵敏度分析结果确定待辨识参数。气瓶末压、燃箱压力信号器首次动作时间和氧箱压力信号器首次动作时间对7种换热系数的极差分析图见图3～5。综合分析，筛选特征为气瓶外壁和燃、氧穿舱管段三处的换热项，对应的待辨识参数为[K

表1

辨识结果见表2。将辨识结果代入仿真模型，获得气瓶、燃氧箱压力的仿真值，并与实测值对比，一致性良好，如图7、8所示；进一步的，将辨识结果引入某相似的新研型号的系统级仿真中，气瓶末压、末温相较绝热假设有明显上升，如图8所示。折合气瓶设计容积减少32L，设计重量相较绝热假设条件降低了11.6kg，显著降低了由于缺乏换热的先验信息造成的冗余设计。由此可以看出。本发明提出的换热参数辨识方法具有良好的辨识精度，且可以减少设计迭代的成本，对型号研制具有重要的指导作用，具有良好的工程应用价值。

表2

本实施例，通过建立了增压输送系统非线性数学模型，在此基础上基于正交试验开展灵敏度分析，筛选出敏感换热参数，最后采用改进的粒子群算法对换热参数进行识别。基于灵敏度分析的特征筛选可以去除对增压性能影响不大的无关特征，避免高维搜索和过大的计算量；引入混沌自适应权重策略的粒子群算法则可以避免寻优过程陷入局部最优点，获得非物理的辨识结果。将辨识结果用于新研型号的仿真后，相较于以往采用绝热采取绝热假设，新的仿真模型可以更好地指导设计，减少不必要的冗余量，降低设计迭代的人力成本和费用，具有良好的工程应用价值。

本申请实施例还提供一种火箭增压输送系统换热参数辨识装置，包括：

模型建立模块，用于建立考虑换热、传质的闭式增压输送系统的非线性数学模型；

目标待辨识特征筛选模块，用于通过基于正交试验的极差法，确定关键增压性能对所有位置换热参数的灵敏性，并从所述非线性数学模型中筛选出目标待辨识特征；

辨识结果优化模块，用于确定目标函数，并采用混沌自适应粒子群算法对所述目标函数得到的辨识结果优化，得到优化后的辨识结果；

验证模块，用于对优化后的辨识结果进行验证、校核以及成效分析，确定换热参数。

本实施例中的装置可以执行上述图1所示的方法，具体实施细节和技术效果，此处不再赘述。

本申请还提供一种程序产品，程序产品包括计算机程序，计算机程序存储在可读存储介质中，服务器的至少一个处理器可以从可读存储介质读取计算机程序，至少一个处理器执行计算机程序使得服务器实施上述本发明实施例任一的方法。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：只读内存(Read-OnlyMemory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

然而，本发明的程序产品不限于此，在本文件中，可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。

程序产品可以采用一个或多个可读介质的任意组合。可读介质可以是可读信号介质或者可读存储介质。可读存储介质例如可以为但不限于电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。

计算机可读存储介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了可读程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。可读存储介质还可以是可读存储介质以外的任何可读介质，该可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。可读存储介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于无线、有线、光缆、RF等等，或者上述的任意合适的组合。

可以以一种或多种程序设计语言的任意组合来编写用于执行本发明操作的程序代码，程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如Java、C++等，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算设备上执行、部分地在用户设备上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算设备上部分在远程计算设备上执行、或者完全在远程计算设备或服务器上执行。在涉及远程计算设备的情形中，远程计算设备可以通过任意种类的网络，包括局域网(LAN)或广域网(WAN)，连接到用户计算设备，或者，可以连接到外部计算设备(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。